擴(kuò)充1090ES 數(shù)據(jù)鏈容量的相位調(diào)制技術(shù)*

王 洪，孫清清，李華瓊，黃忠濤，何東林

(1.電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都611731;2.中國民航局第二研究所，成都610041)

1 引 言

隨著空中交通容量的快速增長和新技術(shù)的出現(xiàn)，空中交通管制正經(jīng)歷從傳統(tǒng)航空交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)到廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance－ Broadcast，ADS－ B)的變革。在歐美發(fā)達(dá)國家，ADS－B 得到了廣泛應(yīng)用。美國將ADS－ B 作為其NextGen 的重要組成部分，在2014年完成了第二個階段的計劃，在全美范圍內(nèi)鋪設(shè)了ADS－B 地面設(shè)備，全面支持ADS－B OUT 服務(wù)，到2020年將增加ADS－B IN 等功能［1］。歐洲則計劃到2017年實現(xiàn)ADS－B 的全面應(yīng)用，以滿足歐洲空管一體化計劃SESAR(Single European Sky ATM Research)的需求［2］?！吨袊裼煤娇誂DS－B實施規(guī)劃》也確定，到2015年底，在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)ADS－B 地面設(shè)施的布局［3］。在ADS－B 逐漸應(yīng)用的過程中，出現(xiàn)了新的問題和需求。一方面，二次雷達(dá)、ADS－B、多點定位系統(tǒng)、空中交通避撞系統(tǒng)和敵我識別器均使用1090 MHz頻率，導(dǎo)致頻譜擁塞［4］。另一方面，ADS－B 的應(yīng)用需求不僅包含監(jiān)視功能，而且發(fā)展到導(dǎo)航和通信功能。除廣播經(jīng)度、緯度、高度、速度、識別碼和飛行意圖等信息外［5］，還期望發(fā)送航行情報、交通狀況、機(jī)場情報通播等上行廣播數(shù)據(jù)和部分機(jī)載座艙顯示器的下行信息。但是，1090ES (1090 MHz Extended Squitter)信號長度120 μs，每次只能傳輸112 bit信息，每秒廣播次數(shù)不超過6.2 次［6］，傳輸能力有限。因此，在1090 MHz特殊的頻率上擴(kuò)充容量，不增加1090ES 信號廣播次數(shù)的條件下傳輸更多信息具有十分重要的意義。

2 擴(kuò)容方法論證

ADS－B 1090ES 數(shù)據(jù)鏈擴(kuò)容的前提是:不改變信號的工作頻點;不增加信號帶寬;不影響現(xiàn)有ADS－B 系統(tǒng)的安全運(yùn)行;甚至不增加額外的機(jī)載或地面設(shè)備，而僅在原有設(shè)備上增加新的功能。

在上述的前提下，擴(kuò)容的方法選擇有限。第一種容易實現(xiàn)的方式是增加廣播頻率，突破6.2 次/秒的限制。當(dāng)廣播次數(shù)為6.2 次/秒時，信號長度為120 μs，占空比僅0.074 4%。如果將廣播次數(shù)提高到6.2×4 =24.8 次/秒，新增加的發(fā)射信號與原信號依次交替發(fā)送不同信息，則可傳輸額外3 倍的信息，而占空比為0.298%。

但是，上述占空比是對一部ADS－B 發(fā)射機(jī)計算的結(jié)果，實際上，ADS－B 地面接收機(jī)作用距離一般在300 km以上，如我國九洲集團(tuán)的ADS－B 地面站作用距離為350 km，可同時接收到多架飛機(jī)的1090ES 信號［7］?！吨袊裼煤娇誂DS－B 實施規(guī)劃》中要求ADS－B 數(shù)據(jù)站可同時處理128 路信號、1024 個目標(biāo)的航跡，德國研制的Quadrant ADS－B接收機(jī)目標(biāo)容量大于1500 個［8］。僅以128 個目標(biāo)為例，按6.2 次/秒和24.8 次/秒廣播，若1090ES 信號相互不重疊，占空比分別為9.5%和38.1%。但每架飛機(jī)的廣播時刻相互獨(dú)立，無法實現(xiàn)信號的依次輪流廣播，信號間相互重疊的概率很大，這種同頻干擾容易導(dǎo)致高誤碼率，甚至接收機(jī)的檢測、解調(diào)和解碼失效。并且還有TCAS、二次雷達(dá)應(yīng)答信號等的1090 MHz同頻干擾，1090 MHz頻點將十分擁擠。從該頻點使用頻次的角度，增加廣播次數(shù)與增加飛機(jī)數(shù)量效果相同。

為了解決上述矛盾，可以采用一些折衷的方法。一是干擾移除策略(Interference Mitigation Strategies)，典型的方法是在地面站使用扇區(qū)天線，如六扇區(qū)天線，每個天線只接收60°范圍，從而減少FRUIT 發(fā)生的概率。二是功率控制，限制廣播信號的功率大小，降低作用距離，目的也是減少發(fā)生FRUIT 的概率，但這與ADS－B 廣播信號、地面保持監(jiān)視的原旨相背離，只能適用于一些空－空應(yīng)用。三是限制擴(kuò)容的飛機(jī)范圍，只對有需要的飛機(jī)增加廣播頻率。此外，抗干擾技術(shù)也是有效的方法，例如，采用陣列天線，用投影算法或擴(kuò)展的投影算法，可將混疊的2～3 個S 模式信號分離出來［9］。

第二種擴(kuò)容的方法是對1090ES 信號進(jìn)行相位調(diào)制，將增加的信息調(diào)制到子脈沖的相位上。S 模式的應(yīng)答信號［10］前8.0 μs為前導(dǎo)脈沖，后面為脈位調(diào)制(Pulse Position Modulation，PPM)的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊為112 bit，每個bit 周期1 μs，包含兩個chip(占位和空位)，前一個chip 高后一個chip 低為數(shù)據(jù)“1”，后一個chip 高前一個chip 低為數(shù)據(jù)“0”。ICAO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1090 ES 數(shù)據(jù)鏈載頻為1090 MHz，一個0.5 μs的子脈沖內(nèi)約有545 個載波周期，目前數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂玫腜PM 調(diào)制方式采用連續(xù)相位的載波周期，載波相位并沒有攜帶任何數(shù)據(jù)信息，基于脈沖相位調(diào)制的方法可在不增加頻點使用和廣播次數(shù)的前提下提高信息傳輸容量。因此，本文選擇基于脈沖相位調(diào)制的方法對1090ES 數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行容量擴(kuò)充。

常用的相位調(diào)制的方式有BPSK、QPSK、8PSK、16PSK 等。調(diào)相的相位越多，可攜帶的信息就越多:如使用QPSK 調(diào)制方式每個數(shù)據(jù)位攜帶2 bit的相位信息，則每一幀信號增加了224 bit信息，每秒總共傳輸?shù)男畔?.388 kbit;如使用8PSK 調(diào)制方式，每個數(shù)據(jù)位攜帶3 bit的相位信息，則每一幀信號增加了336 bit信息，每秒總共傳輸?shù)男畔?.083 kbit。但是調(diào)相的相位越多，誤碼率和可靠性也相應(yīng)下降，因此，調(diào)相方式的選擇需要在通信性能和傳輸速率間進(jìn)行折衷。

3 擴(kuò)容的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 擴(kuò)容1090ES 信號的調(diào)制

擴(kuò)容信號的調(diào)制是一種復(fù)合調(diào)制方法，第一步是PPM 調(diào)制，對112 bit 數(shù)據(jù)做曼切斯特編碼，然后進(jìn)行幅度調(diào)制，獲得現(xiàn)有的ADS－B 信號;第二步，對相位調(diào)制的信息進(jìn)行編碼(如8PSK 信號可采用格雷碼)，然后用于PPM 信號占位脈沖的脈內(nèi)調(diào)相。前導(dǎo)脈沖和前幾位數(shù)據(jù)脈沖一般不用于數(shù)據(jù)傳輸，而作為同步信號和零參考相位。

由于國際民航組織(ICAO)對1090 MHz頻點的使用有嚴(yán)格限制，信號的－3 dB 帶寬為2.4 MHz，－6 dB帶寬為8 MHz，因此相位調(diào)制后的頻譜展寬也須控制在這個范圍內(nèi)。在沒有干擾的情況下，導(dǎo)致脈內(nèi)調(diào)相信號頻譜展寬的主要原因是相位突變，主要出現(xiàn)在兩個連續(xù)占位脈沖的高電平鄰接處，即PPM 數(shù)據(jù)出現(xiàn)“01”時。因為前一個比特數(shù)據(jù)為“0”和后一個比特為“1”時，將產(chǎn)生的一個1 μs的“寬”脈沖，而碼元寬度為0.5 μs，此時相位調(diào)制可能造成碼元鄰接處的相位突變。采用8PSK 調(diào)制時，最大的相位突變是180°，如圖1所示。這種相位突變將導(dǎo)致發(fā)射信號的頻譜展寬，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

圖1 相位突變示例Fig.1 Example of phase change

我們對突變相位采用線性過渡的方法。對1090 MHz的載頻，0.5 μs內(nèi)有545 個周期，在前一個脈沖的后半段0.2 μs和后一個脈沖的前半段0.2 μs之間進(jìn)行相位變化的分段線性過渡。如當(dāng)相位突變180°時，采用100 個載波周期進(jìn)行相位過渡，則每個脈沖周期只需要相位過渡1.8°，該方法可以很大程度上改善信號的頻譜性能。圖2對比了線性過渡對頻譜擴(kuò)展的改善作用，圖中未使用線性過渡的頻譜明顯寬于過渡后的頻譜。

圖2 相位過渡對頻譜擴(kuò)展的改善Fig.2 Improvement of phase change on spectrum extension

3.2 擴(kuò)容1090ES 信號的接收

1090ES 信號的接收主要完成的內(nèi)容有:射頻部分對信號的放大、濾波和下變頻至基帶信號，信號的檢測，信號的解調(diào)和解碼。射頻部分與現(xiàn)有的接收機(jī)類似，但要實現(xiàn)正交下變頻。根據(jù)前導(dǎo)脈沖的檢測和信號長度判決1090ES 信號的出現(xiàn)，前導(dǎo)脈沖也做了脈內(nèi)調(diào)相，檢測針對信號的包絡(luò)實現(xiàn)。信號的解調(diào)和解碼則分兩部分，從信號包絡(luò)實現(xiàn)PPM 信號的解調(diào)和解碼，而調(diào)相信號的解調(diào)解碼對I/Q 兩路實現(xiàn)MPSK 的映射，在解調(diào)之前需實現(xiàn)與發(fā)射信號的同步。

3.3 擴(kuò)容1090ES 信號的同步

ICAO 規(guī)定的1090ES 信號的載頻為1090 ±1 MHz，且機(jī)載信號多普勒頻移都可能達(dá)到幾百甚至幾千Hz，接收端載頻的同步必然很大程度上影響信號的解調(diào)性能。以8PSK 調(diào)制為例，碼元的相位相隔45°，偏離±22.5°將導(dǎo)致判決錯誤，占位脈沖寬0.5 μs，計算可知載頻偏差不能超過125 kHz。由于ADS－B 地面接收機(jī)作用面臨的ADS－B 發(fā)射機(jī)可能達(dá)到幾十到幾百部，發(fā)射信號持續(xù)時間120 μs，脈內(nèi)重復(fù)頻率1～6.2 Hz，因此，擴(kuò)容1090ES 信號是一種特殊的一對多的突發(fā)通信，不能采用常規(guī)的鎖相環(huán)實現(xiàn)同步。

由于1090ES 信號采用固定格式，數(shù)據(jù)段每1 μs內(nèi)有一個碼元，碼元的位置可由PPM 脈沖確定，因此，調(diào)相信號的時間同步借助PPM 的前導(dǎo)脈沖和數(shù)據(jù)段的占位脈沖來實現(xiàn)。前導(dǎo)脈沖和前幾位數(shù)據(jù)脈沖做導(dǎo)頻和相位同步使用，提供零參考相位。

載波同步采用特殊的方法。首先估計信號的載波頻率，精度達(dá)到kHz 或10 kHz 量級即可。將1090 ±1 MHz范圍內(nèi)的頻率劃分為16 個區(qū)間，每個區(qū)間寬度125 kHz，估計的載波頻率落入哪個區(qū)間，則按22.5°的整數(shù)倍進(jìn)行相位補(bǔ)償。在實際使用中可減小125 kHz區(qū)間寬度和相應(yīng)補(bǔ)償?shù)亩葦?shù)，以防止噪聲、干擾和傳播等因素的影響。

3.4 擴(kuò)容1090ES 信號的校驗

現(xiàn)有的1090ES 信號采用CRC 冗余編碼方式生成24 bit奇偶校驗位來保護(hù)數(shù)據(jù)，接收端發(fā)現(xiàn)錯誤后可采用一些糾錯技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，糾錯方法有“保守”技術(shù)和“強(qiáng)力”糾錯技術(shù)等［11］。擴(kuò)容信號增加相位調(diào)制后數(shù)據(jù)信息加長了M×112 bit，若繼續(xù)采用現(xiàn)有的校驗方法［12］，校驗位長度為M×24 bit，編碼效率較低，且前幾位用作同步，沒有攜帶調(diào)制數(shù)據(jù)，因此，無需也不能再按112 bit長劃分和校驗數(shù)據(jù)。對擴(kuò)充容量的使用將由國際權(quán)威組織制定標(biāo)準(zhǔn)，但擴(kuò)容數(shù)據(jù)的校驗可從整體考慮。

選擇何種編碼方式應(yīng)依據(jù)1090ES 擴(kuò)容數(shù)據(jù)鏈的結(jié)構(gòu)以及1090ES 擴(kuò)容信號比特信息出錯的特點。1090ES 信號傳輸信道中的干擾、噪聲以及1090ES 擴(kuò)容信號的衰落都會使信號發(fā)生比特錯誤，特別是同信道干擾源的影響。1090ES 使用的1090 MHz 信道由多個電子系統(tǒng)共享使用，頻譜環(huán)境日趨擁塞，F(xiàn)RUIT 和Garble 是主要的干擾形式［13］，需選擇對突發(fā)錯誤具有高效糾錯能力的編碼，如RS 碼、LDPC 碼等。RS 碼原理簡單且實現(xiàn)方便，對于短碼和中等碼的性能較優(yōu)，但編碼效率不夠高。LDPC編碼接近香農(nóng)理論極限，利用校驗矩陣的稀疏性，可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，是否適合擴(kuò)展數(shù)據(jù)的校驗，有待進(jìn)一步的研究。

3.5 可行性與安全性評估

由于ADS－B 已推廣應(yīng)用，使用這種新技術(shù)的接收機(jī)需兼容PPM 信號，對兩種信號的接收性能需采用實驗和理論分析進(jìn)行評估。更重要的是，調(diào)相1090ES信號是否影響現(xiàn)有PPM 信號的正常運(yùn)行、是否干擾PPM 信號、是否降低接收機(jī)的性能等還需論證，以確保兩種信號共存的安全性。

1090ES 對脈沖的時域波形和頻譜都有嚴(yán)格的要求，擴(kuò)容信號的時域波形和頻譜特性是否符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)都需要進(jìn)行評估驗證。對于PPM 和PSK混合調(diào)制信號的頻譜特性已有過一些相關(guān)的研究，文獻(xiàn)［14］證明了PPM/BPSK 混合調(diào)制的頻譜特性能夠滿足D260B 規(guī)定的1090ES 信號標(biāo)準(zhǔn)。隨著調(diào)相技術(shù)的逐漸成熟和樣機(jī)的研制，還需采用外場實驗等方法做進(jìn)一步的評估，論證該方法的可行性。

4 結(jié)束語

ADS－ B 具有監(jiān)視、導(dǎo)航和通信功能，增加1090ES信號傳輸信息的能力對增強(qiáng)ADS－B 系統(tǒng)的效能、增加新的應(yīng)用和業(yè)務(wù)、降低1090 MHz頻點的擁塞有重要的意義。本文論述了幾種可能的擴(kuò)容方法，并對基于相位調(diào)制的方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了相位調(diào)制方法所需解決的幾個關(guān)鍵問題，特別是提出了多發(fā)單收突發(fā)通信的同步方法。該方向的研究僅幾年時間，技術(shù)尚不成熟，各環(huán)節(jié)采用哪種技術(shù)(如校驗方法、數(shù)據(jù)字段的劃分和使用等)也沒有定論，新的國際標(biāo)準(zhǔn)也只有在這些技術(shù)經(jīng)過嚴(yán)格的驗證后才會形成，但傳輸能力的提高引起了國際權(quán)威民航組織的高度重視，并且該擴(kuò)容技術(shù)可拓展到S 模式的其他24 種數(shù)據(jù)鏈格式，該技術(shù)的研究將成為航空電子領(lǐng)域的又一個新熱點。

［1］ Arbuckle P D.U.S.activities in ADS－B systems implementation［C］//Proceedings of 2011 Tyrrhenian International Workshop on Digital Communication－ Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles.Capri，Italy:IEEE，2011:41－46.

［2］ Rekkas C. ADS－ B and WAM deployment in Europe［C］//Proceedings of 2011 Tyrrhenian International Workshop on Digital Communication Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles. Capri，Italy:IEEE，2011:41－46.

［3］ 中國民用航空局. 中國民用航空ADS－ B 實施規(guī)劃［M］.北京:中國民用航空局，2012.Civil Aviation Administration of China.Implementary plan of civil aviation surveillance technology of China［M］.Beijing:Civil Aviation Administration of China，2010.(in Chinese)

［4］ 王洪. 1030/1090 MHz 頻譜的共享與干擾問題綜述［J］.電訊技術(shù)，2013，53(1):105－109.WANG Hong. Overview of sharing and Interference at 1030/1090 MHz［J］. Telecommunication Engineering，2013，53(1):105－109.(in Chinese)

［5］ RTCA DO－260B，1090 Minimum Operational Performance Standard for ADS－B and TIS－B［S］.

［6］ ASP TSG WP 5－18，ATC Overlay Data Link［S］.

［7］ 四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司.ADS－B(1090ES)地面站［EB/OL］.2014－09－18［2014－12－20］. http://www.jiuzhou.com.cn.Sichuan Jiuzhou Electric Group Co.，Ltd. The ADS－ B(1090ES)ground station［EB/OL］.2014－09－18［2014－12－20］.http://www.jiuzhou.com.cn.(in Chinese)

［8］ COMSOFT. ADS－ B and Multilateration Solution［EB/OL］.［2014－12－20］.http://www.comsoft.de.

［9］ Petrochilos N，Galati G.Separation of SSR Signals by Array Processing in Multilateration Systems［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2009，45(3):965－982.

［10］ ICAO. Manual on the secondary surveillance radar system［M］.Washington DC:ICAO，2004.

［11］ 鄭士毅.模式S 應(yīng)答處理中的數(shù)據(jù)處理［D］.成都:電子科技大學(xué)，2006.ZHENG Shiyi. The data processing in mode S replies processing［D］. Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2006.(in Chinese)

［12］ Gertz J L. Fundamentals of Mode S Parity Coding［R］.Washington:Lincoln Laboratory，1984:2－3.

［13］ Xiao Youan，Luo Chunling.The comparative analysis of LDPC and RS code［C］//Proceedings of 2011 International Conference on Consumer Electronics，Communications and Networks.Xianning，China:IEEE，2011:4510－4513.

［14］ WANG Shang，ZHANG Yan. Phase Modulated Waveforms for Transponder－ Based Radar Sensing:Signal Optimization and Experiments［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2011，47(3):1733－1753.